劉建航，程學珍，2，鄭 宸，魏翠麗，崔立文

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島266590;2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590)

0 引 言

網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)是由多個傳感器節(jié)點元件通過有線或無線通信方式連接到網(wǎng)絡系統(tǒng)，以實現(xiàn)網(wǎng)絡區(qū)域傳感信息的感知、采集、傳輸、處理等功能［1］。當前，IEEE 1451［2］成為構(gòu)建網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)的技術(shù)手段，而傳感系統(tǒng)建模則是其網(wǎng)絡化開發(fā)的前提。因此，研究一種通用的網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)模型是非常有必要的，也是當前所亟需的。

本文研究了一種網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)模型，該模型的建立能實現(xiàn)網(wǎng)絡傳感系統(tǒng)快速化、標準化。

1 系統(tǒng)整體建模

目前，在主流的建模語言中，統(tǒng)一建模語言(unified modeling language，UML)［3］是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍實用的可視化建模語言，在靜態(tài)結(jié)構(gòu)描述能力和面向?qū)ο笤O計思想中具有較大優(yōu)勢，因此，非常適合應用于基于IEEE 1451 網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)的模型構(gòu)建中，但是其缺乏有效驗證分析方法［4］，而Petri 網(wǎng)正好彌補這一缺陷。與UML 相比，Petri 網(wǎng)［5，6］具有形式化定義，能夠提供多種驗證分析方法，在動態(tài)行為分析方面具有較大優(yōu)勢，但其建模方法不夠直觀明確，在獲取需求，交互方面較差。因此，本文將UML 建模和Petri 網(wǎng)建模兩者結(jié)合起來，采用基于UML 和Petri 網(wǎng)的信息流層次化動態(tài)(information flow hierachical dynamic，IFHD)建模方法［7］，這樣既能夠滿足獲取有效需求、分析設計，同時又能夠進行嚴格建模和形式化驗證，以達到其準確，直觀，以致達到節(jié)約時間，提高效率。

圖1 中建模過程中分為靜態(tài)建模、系統(tǒng)部署圖、動態(tài)建模行為驗證，利用UML 用例圖、順序圖及部署圖對系統(tǒng)進行靜態(tài)描述，再利用UML 與Petri 網(wǎng)的轉(zhuǎn)換規(guī)則轉(zhuǎn)換為Petri 網(wǎng)模型，經(jīng)過動態(tài)行為驗證，對模型簡化和優(yōu)化。

圖1 基于UML 和Petri 網(wǎng)建模原理圖Fig 1 Modeling principle diagram based on UML and Petri networks

2 UML 靜態(tài)建模

2.1 UML 用例圖模型構(gòu)建

在系統(tǒng)的靜態(tài)建模中，主要是利用UML 的優(yōu)勢［8，9］來構(gòu)建的。

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡傳感系統(tǒng)的功能是完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，參與者有本地操作者、遠程操作者。除此之外，還有現(xiàn)場傳感器實現(xiàn)信息的采集;執(zhí)行元件對遠程操作者發(fā)送的控制命令進行執(zhí)行。

2)需求分析

系統(tǒng)是為本地操作者和遠程操作者服務，因此，需要分別從本地操作者、遠程操作者、傳感器和執(zhí)行元件的角度來實現(xiàn)系統(tǒng)需要的具體功能。

3)確認用例

根據(jù)需求得到的用例并非適于在用例圖中出現(xiàn)，用例間總是存在著各種關(guān)系，如泛化、包含和擴展等關(guān)系。經(jīng)過用例的分析找出用例間的關(guān)系和適合在用例圖中使用的用例，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)用例圖Fig 2 Use-case of networked sensing system

4)確定用例間的關(guān)系

根據(jù)IEEE 1451 技術(shù)標準的定義，NCAP 和STIM 能夠包含的用例如圖3 和圖4 所示。

圖3 NCAP 模塊用例間的包含關(guān)系圖Fig 3 Use-case diagram between NCAP module contains relationship

圖4 STIM 模塊用例間的包含關(guān)系圖Fig 4 Use-case diagram between STIM module contains relationship

5) 網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)用例圖

在用例關(guān)系確定后，查看最終的用例與參與者的關(guān)系。其中，當?shù)夭僮髡摺鞲衅骱蛨?zhí)行元件都需要操作STIM 模塊;遠程操作者需要操作NACP 模塊。結(jié)合上面兩個圖，網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)用例圖如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)用例圖Fig 5 Use cases of networked sensing system

2.2 UML 順序圖模型構(gòu)建

UML 的交互圖描述了系統(tǒng)的實際運作過程，在確定系統(tǒng)的用例之后，需要運用交互圖描述系統(tǒng)對象的的實際運作和交互。交互圖有3 種，即順序圖、通信圖和時間圖，其中順序圖的應用最為廣泛，本文模型設計中采用順序圖對系統(tǒng)的實際運作進行描述。

順序圖根據(jù)具體用例的對象，描述對象之間的交互和交互發(fā)生的次序。

1)遠程操作者與系統(tǒng)的交互:與遠程操作者交互的用例有:網(wǎng)絡通信、初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、TEDS 配置、輸出控制。遠程操作者與系統(tǒng)的交互順序圖如圖6 所示。

圖6 遠程操作者順序圖Fig 6 Sequence diagram of remote operator

順序圖中:a.縱向軸為時間信息軸，縱向軸向下為正方向;b.用例協(xié)作中各獨立對象的類元角色在橫向軸表示;c.表明一個對象在一段時間內(nèi)存在，用一條虛直線表示對象生命;d.從一個對象生命線指向另一個對象生命線的箭頭表示消息事件的發(fā)生。

2)本地操作者與系統(tǒng)的交互:與本地操作者交互的用例有:系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、TEDS 配置。本地操作者的順序圖可以從遠程操作者順序圖中分析處理，另外，傳感器和執(zhí)行元件的順序圖也包含在遠程操作者的順序圖中，此處均不再另行繪制。

3 系統(tǒng)部署圖

基于IEEE 1451 技術(shù)標準的網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)使用面向?qū)ο笙到y(tǒng)，面向?qū)ο笙到y(tǒng)在物理方面建模的實現(xiàn)方式圖有兩種，即組件圖和部署圖。本文中模型設計采用部署圖對系統(tǒng)進行面向?qū)ο蟮慕?，基于IEEE 1451.2 標準的網(wǎng)絡傳感系統(tǒng)的組件主要有:變送器接口、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換、TEDS、微處理器、存儲單元、IEEE 1451.2 接口、驅(qū)動單元、網(wǎng)絡接口、Web 服務器。

部署圖用來建模系統(tǒng)的物理部署，主要涉及物理結(jié)構(gòu)與它們間的關(guān)系。網(wǎng)絡傳感系統(tǒng)的使用者為遠程操作者和本地操作者，圖7 可以清晰地看出系統(tǒng)的部署圖。

網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)有:NCAP 模塊和STIM 模塊。其中，NCAP 模塊提供網(wǎng)口給遠程操作者，STIM 模塊提供端口給本地操作者。

至此，網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)的靜態(tài)模型和系統(tǒng)部署圖已經(jīng)建立。在靜態(tài)建模過程中，首先對所要建模系統(tǒng)的功能進行分析，確定模型的角色和用例，以及各角色和用例之間的關(guān)系。之后，繪制網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)的順序圖，對所設計系統(tǒng)工作時的信息流進行詳細的表述，對系統(tǒng)內(nèi)部信號流向有了精確的表述。通過部署圖對系統(tǒng)進行物理方面的建模，確定了系統(tǒng)各模塊以及模塊內(nèi)部各個組件之間的關(guān)系，使系統(tǒng)模型的靜態(tài)表述更趨完善，為動態(tài)模型建立進行形式化驗證做好鋪墊。

圖7 基于IEEE 1451 網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)部署圖Fig 7 Deployment diagram of networked sensing system based on IEEE 1451

4 Petri 網(wǎng)動態(tài)建模

在設計系統(tǒng)時，首先要識別構(gòu)成系統(tǒng)的元素，尤其是識別被動元素和主動元素。Petri 網(wǎng)對這種二元性提供了強大的支持。系統(tǒng)中的一個對象是作為主動元素還是被動元素來建模是根據(jù)系統(tǒng)中的前后關(guān)系確定的。主要由Petri網(wǎng)中的兩類元素［14］:P 元素和T 元素完成。UML 元素與Petri 網(wǎng)圖像元素的映射如表1 所示。

表1 UML 元素與Petri 網(wǎng)圖像元素映射表Tab 1 Mapping tab of UML elements and Petri networks elements

通過兩者之間的映射關(guān)系，把系統(tǒng)的UML 用例圖轉(zhuǎn)換為Petri 網(wǎng)模型，轉(zhuǎn)換后的圖形如圖8 所示。

圖8 網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)Petri 網(wǎng)模型Fig 8 Petri networks model of networked sensing system

5 系統(tǒng)模型的簡化與優(yōu)化

通過搭建的動態(tài)模型可以對系統(tǒng)的動態(tài)行為進行分析。通過分析，在系統(tǒng)內(nèi)部信號處理方面的動態(tài)行為表述的不是十分明確，系統(tǒng)模型還需要進一步的簡化與優(yōu)化，簡化后的系統(tǒng)Petri 網(wǎng)模型如圖9 所示。利用CPN Tools 可以對網(wǎng)絡智能化傳感系統(tǒng)模型進行分析，能夠確認出所建立的模型結(jié)構(gòu)不存在死鎖，是可逆的，具有可達性、有界性。

圖9 優(yōu)化后的網(wǎng)絡化傳感系統(tǒng)Petri 網(wǎng)模型Fig 9 Optimized Petri networks model for networked sensing system

6 結(jié) 論

本文采用UML 和Petri 網(wǎng)相結(jié)合的方法對網(wǎng)絡傳感系統(tǒng)進行模型搭建。考慮到UML 在靜態(tài)建模方面的優(yōu)越性，利用UML 對系統(tǒng)的靜態(tài)特性進行表述;同時，利用UML 到Petri 網(wǎng)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，得到系統(tǒng)的動態(tài)模型，利用Petri 網(wǎng)在動態(tài)行為上的優(yōu)勢對系統(tǒng)的動態(tài)行為進行分析、優(yōu)化與簡化，最后得到網(wǎng)絡化網(wǎng)絡傳感系統(tǒng)的模型，能夠為后續(xù)智能傳感器的性能分析、管理決策、數(shù)據(jù)仿真、優(yōu)化分析提供技術(shù)支持。

［1］ Gurkan D.Interoperable smart sensor networking［C］∥12th International Conference on Engineering，Science，Construction，and Operations in Challenging Environments，2010:1634－1643.

［2］ 劉桂雄.基于IEEE 1451 的智能傳感器技術(shù)與應用［M］.北京:清華大學出版社，2012.

［3］ Docherty M O.Object-oriented analysis and design:Understanding system development with UML 2.0［M］.Chichester:John Wiley＆Sons，2005.

［4］ 付茂洺，王 悠.可視化UML 模型驗證環(huán)境研究［J］.電子科技大學學報，2010，39(2):289－292.

［5］ Zairi S，Zouari B，Niel E.Coloured Petri net model for the formal validation of sensor networks［C］∥1st International Conference on Sensor Networks and Applications(SNA2009)，2009:148－153.

［6］ Shareef A，Yifeng Z.Energy modeling of wireless sensor nodes based on Petri nets［C］∥39th International Conference on Parallel Processing，ICPP 2010，2010:101－110.

［7］ 周岳斌.IEEE 1451 混合接入模式下網(wǎng)絡化智能傳感系統(tǒng)建模與實現(xiàn)［D］.廣州:華南理工大學，2012.

［8］ Lee K B，Song E Y.Object-oriented application framework for IEEE 1451.1 standard［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2005，54(4):1527－1533.

［9］ 黃國健，劉桂雄，洪曉斌，等.IEEE 1451 網(wǎng)絡化智能傳感器的通用建模方法及應用［J］.光學精密工程，2010，18(8):1914－1921.

［10］楊玉梅，刁永鋒.基于UML 順序圖的Petri 網(wǎng)建模［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2007(10):130－133.